大跨度拱形钢结构安装施工工法

大跨度拱形钢结构安装施工工法

1.前言

本工法是在2007年获批的国家一级工法的升级版；其核心技术曾达到国际领先水平，现仍处于国内领先水平；本工法是在呼和浩特白塔机场航站楼工程——205米跨二次抛物线箱型变截面连体双斜向钢结构拱安装施工技术基础上而形成的。后经在辽宁省锦州滨海体育场306米跨变截面钢管桁架拱成功安装、河北省保定东湖观光桥工程104米跨双钢管混凝土桁架拱成功运用，使得大跨度钢拱结构安装施工技术日臻完善。本工法核心技术2015年4月通过了河北省住建系统专家论证，曾先后获得了河北省政府科技进步二等奖2项、国家科学技术进步二等奖1项：拥有专利技术2项;编制企业标准1部，主编同类省地方标准2部，出版专辑书刊2部，发表学术论文17篇。

本次升级补充的主要内容是：

（1）运用空间坐标变换原理，巧妙解决了“大跨度钢结构拱脚安装定位组件”技术。

即将复杂的拱脚构件定位简化为简单的三面歇趾脚杆件定位件，解决了超大空间三维曲线构件定位技术难题。

（2）施工过程中采用了“主拱临时卸载支撑架体”组装杆件化技术，工具化，运输

方便、节省储存空间；施工标准化，大大降低工程成本。

（3）超长钢拱结构杆件温差变形大，利用计算机三维模拟仿真施工技术和BIM信息

化技术，对中间拱段合拢过程模拟，正确实施温度计算跟踪，实现了超长大跨度拱钢结构顺利安装。

2.特点

2.1 与高空散装法相比：大大减少了空中焊接工作量，确保了工程质量，降低临时支撑措施费用。

2.3 与现场组装整体吊装法相比：解决了当地吊装机械起吊能力不足、风大沙多工程质量不易保证的问题。

2.4 拱脚三维多向定位组件化、简单化。 2.5 中间段合拢，数据信息化施工控制。

2.6 临时支撑架杆件化、片装化、标准节化，工具化，降低施工总成本。 2.7本工法所用的“化整为零”、“一步一稳定，步步推进”，“先两边后中间的对称均衡施工”、“先下后上，循序渐进”的施工原理简单，便于掌握。

3.适用范围

本工法适用于大空间工业与民用建筑工程、交通跨江河桥梁工程。

4.工艺原理

1) 运用空间坐标变换原理，巧妙解决了“大跨度钢结构拱脚安装定位组件”技术。

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运用“直角三角形判定定理”，将主拱脚的复杂空间定位简化为主拱脚立面投影的三点定面。

2) “化整为零”原理，即将整个拱梁分为若干段（一般为奇数），每段作为一个独立的制作、运输、安装单元，以确保施工质量，解决整体吊装能力、运输限制之不足。

3) “温度变形可控，受力变形可调”的科学施工理论：即在大跨拱分段安装合拢前，实施计算机跟踪温度计算，吊装杆件受力伸缩计算同步，确保了整个安装过程的顺利。

4) “先两边后中间，先下后上，循序渐进，对称均衡，顺序施工”原理；即拱梁安装吊装过程、临时卸载支撑安装等：先从拱两端开始，后在拱中间合拢，以消除整个拱梁段的累计偏差和结构倾斜受力问题。先拱脚后跨中段、先下面支撑后上部支撑的顺序施工原则。

5) “一步一稳定”力学原理、“步步推进”的营造法则；在安装完一品桁架后，立即安装周边结构或屋面结构 ，以形成一个稳定结构后，再继续安装下一施工段。

5.工艺流程及操作要点

5.1工艺流程

→ 拱平面水平拱脚基拱脚第二建立平面坐标控制拱脚定位组件安装及拱脚→ → → → 础开挖 步砼浇筑 控制点定位 第一步砼浇筑 网及高程控制点 就位 → 主拱分段及场外加工 主拱分段两边同时吊装 主拱支撑安装 分段卸荷及临时支撑拆除 主拱变形观测 主拱两侧附属结构安装

5.2操作要点

大跨度钢拱安装同时涉及结构空间定位测设与施工过程测量、分段与吊机的选择与布设、支撑架体的选择与设计、钢拱的吊装及安装、卸荷等多个施工过程，而中间段钢拱的吊装及安装是整个施工过程的关键。 5.2.1建立测量控制网及地面测量控制点

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（1）GPS点的交接及复核

根据GPS点的成果，制定点位精度的复查,建立施工控制网（有轴线控制桩），形成统一布局（见图5.2.1-1）。

图1-1 呼市机场航站楼钢结构安装的测量控制网图5.2.1-1 钢结构安装测量控制网

（2） 利用“直角三角形判定”定理进行确定超大主拱投影平面控制点

第一步：拱架安装区间轴网的加密

采用直角坐标法和钢尺量测方法，量出○Ｇ与○Ｋ轴间中心线○I轴，在地面上弹出墨线，在东西量测做好控制桩。同样方法，量测出○19～○33轴之间的两两中心线，并在南北两侧设下控制桩，在横纵轴线交接点处，用水泥钉做出标记。形成三横二十七纵的直角加密控制网，见图5.2.1-1。

第二步：利用直角三角形判定定理确定超大主拱投影平面控制点

通过AutoCAD图纸测出超大主拱水平投影与上述加密纵轴交点至I轴的垂直距离；然后用钢尺和线绳即可测出拱轴投影与加密纵轴的交点，即为所求的超大主拱投影平面控制点；并且可利用交点的对称性，用钢尺或仪器进行两两校核。

第三步：根据设计给定的特定点数值建立拱平面的二次曲线方程式у=f (x2)，然后根据分段要求求出各定分点的柱面坐标(R,θ, φ)（其中R为柱面半径定值；θ为柱面点水平转角，取值范围0～180°； φ为柱面点垂直转角，取值范围0～90°）

第四步：对拱上的任一点C作水平面投影B，将C、B与拱端点A相连，即得到一个垂直于地面的直角三角形ABC，实测时，在地面上用极坐标法求出A、B两点。拱梁就位时，在地面B点用铅垂仪对准主桁架的C点，即可迅速确定拱脚的位置。

（3）主拱落地点及拱脚端点的确定 主拱为斜平面时，在测量控制上采用直角相

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交观测法或全站仪空间定位法。

以拱中心线的水平投影圆半径为半径，以拱的两个端点为起始点和终端点，在地面±0.000处画 图5.2.1-2 拱钢结构安装柱面坐标投影示意图

圆，并以此圆弧为基准，垂直向上下复制，即可得一柱面，柱面与拱中心的顶点设为柱面最高点，拱的两个端点沿柱面继续向下延伸至基础顶面，即为拱脚的理论端点，沿此点做出拱面圆弧的切线，该切线与其水平投影线夹角即为拱平面的水平倾角，以此角为倾角沿柱面向上展开，得出一个直角三角形，三角形的高即为拱高，斜边长度为拱的轴线长度，底边与拱脚底面的交点是拱脚截面的下边，由此即可求出拱脚底面中心点至拱脚理论端点的距离，进而得出拱脚底面与基础顶面的交点位置。 5.2.2 主拱脚的安装

（1）预埋钢板埋设

在进行第一层混凝土浇筑时，根据上部拱脚的特点，在第一层混凝土上首先预埋钢板，以便于对连接板进行加固。根据拱脚底板的投影控制图及钢柱的安装坐标，在响应的标高位置放置三块预埋钢板,预埋钢板的规格按设计的要求制作（钢板厚度及大小尺寸可根据上部结构尺寸进行调整，一般可采用20mm厚钢板）。

（2)测量定位控制

根据结构设计定位图首先设置整体测量控制网，再根据整体测量控制网及拱脚的定位图进行测设。设定主拱脚的相对坐标，并根据拱脚的相对坐标，确定主拱脚的底板及顶部的测量定位布置。见图5.2.2-1.

主拱脚定位布置图图5.2.2-1 主拱脚定位布置图

(3)焊接连接板

采用常规做法，对钢柱底板进行定位设置，考虑到主拱脚的底板在一斜面上，且

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四个角不在同一水平面上，所以在混凝土基础面设置四个角的投影点，采用投影点来控制底板的四个角，将空间定位转化为平面定位；然后根据定位底板的坐标，就地设置底板面的模型，最后利用底板模型对连接板进行精确定位，并设置底部的支撑胎架（连接板），与底部基础预埋钢板上焊接连接板，连接板可根据拱脚规格、尺寸采用钢板或槽钢。见图5.2.2-2.

主拱脚定位控制采用与连接板同样的方法，在混凝土基础面上设置四个角的投影点，根据主拱脚的定位坐标得出，底板和顶面的上下边的投影线在X轴是相对平行的，且平行于控制线A，所以顶面角的控制主要靠经纬仪在顶部上下边的延长线上进行控制。

主拱底部定位布置图主拱第一节顶部定位布置图图5.2.2-2 主拱脚的底板及顶部的测量定位布置图

当钢拱脚吊至安装位置时，首先对拱脚底板的最低角进行就位， 拱脚底板的最低角主要靠预先在混凝土基础上的定位靠山来控制前后、左右方向，水平标高是采用钢垫块来设置的。然后吊机和手拉葫芦进行调节，使底板下边的另一点到位，复合这条边是否与投影线相附，确定无误后，进行焊接临时固定一个点，然后对拱脚顶部下边进行调节，确定无误后，再复合拱脚底板是否定位正确，确定无误后，进行焊接临时固定底板下边；然后设置前部的支撑管，待支撑管设置结束后，对整个钢拱脚的定位控制进行复合，确定无误后，对前部的支撑管进行焊接，并同时对底板下的支撑进行安装及焊接。见图5.2.2-3见.

在第一层混凝土满足强度要求后，立即进行预埋板及拱脚的定位、安装。由于第一层混凝土已浇筑至拱脚底标高，因此，可以在平面位置上进行精确定位，并可以在下层混凝土预埋钢板上用槽钢、钢板、钢管等对拱脚采取可靠的焊接固定措施，保证了在上层混凝土浇筑期间，不会对拱脚造成移位等影响。既加快了施工进度，又保证了预埋件的精确定位。图5.2.2-4.

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主拱底板的模型

图5.2.2-3 主拱底板模型

5.2.3主拱支撑架体设计与安装

图5.2.2-4拱脚顶部定位控制

（1）根据钢拱结构体系分折，并结合设计结构的节点详图，首先安装周边的钢柱及钢柱间的连梁，然后安装中间拱和屋面梁，在主拱未能形成三角形桁架之前，整个屋面钢结构的中间部分荷载全由中间拱来支撑，所以首先在中间拱下方设置支撑，并根据混凝土柱网间距在中间拱下方每个混凝土柱柱顶设置承重支撑架。

主拱为主要受力杆件及结构体系的主支撑构件，在分段吊装时自重必须外加支撑体系来完成，所以在主拱的投影弧线上同样根据混凝土结构梁、柱位置、间距等设置底部承重支撑。其位置尽量选在每两横轴中间附近，即在各撑杆与斜主拱相交点附近，主拱下各支承架设置在每两轴中间，既能符合斜主拱承重定位拼装要求，也满足各撑杆的安装施工。主拱下支撑固定详见图5.2.3-1。

每个支承架搭设前，需首先安装完毕该跨的屋梁，并将该处支承架上部临时采用檩条将支承架与屋梁连接固定，必要时将支承架顶端用揽绳与屋梁上的檩托板拉牢，以确保支承架上部稳定性，同时在支承架屋梁与楼面之间中部也用揽绳与楼面锚固板拉牢固定，揽绳上应设有手拉葫芦以便于调节，并在支承架下部焊上ø48短钢管，用脚手钢管将支承架下部连结牢固，确保支承架体的整体稳定性。

（2）针对工程的结构特点及施工顺序和方法，同时结合现场的施工环境，合理选择支撑架体的形式及规格。一般可采用格构柱架体支撑，该格构柱以6m为一个标准节，并可根据不同的主拱安装形式，以及施工顺序进行支承架的布设，钢结构主拱支撑架体设置平面图5.2.3-1及图5.2.3-2钢结构支撑架体立面图。

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图5.2.3-1主拱支撑架体设置平面图

图5.2.3-42支撑架体立面图

5.2.4主拱分段点及中心点变形控制

采用计算机三维模拟仿真，实施温度计算跟踪，实现超长拱钢结构杆件零温差

变形合拢。

将吊装变形计算主控计算机与大气测温仪相连，将施工当天大气温度按12个时段记录，再由计算机把温度值自动录入吊装拱段纵向变形计算公式，由施工技术人员把计算值与设计给定变形值比较，最后确定合理的拱合拢时段，进而实现零温差变形合拢。 5.2.5主拱安装：

（1）分段及吊机的选择

根据施工现场的实际情况，结合钢构件的总重量，进行吊装机械的选择及分段数量。

首先考虑吊装机械的一般起重量，工作半径，并结合钢拱总重量，底部混凝土柱的柱距等，确定钢拱分段数量及尺寸，根据单体重量最大时的起重参数，进行吊机的选择。

（2）安装总体流程：

1）首先进行钢柱及钢柱之间的连梁安装，具体如图5.2.6-1：

2）为了使屋面结构形成稳定的体系，所以对两端第二段中间拱进行安装，并进行两端屋面梁和钢柱的拼装安装，同时对两端屋面梁之间的连梁和水平剪刀支撑进行安装，具体如5.2.6-2：

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图5.2.6-1流程图一 图 5.2.6-2流程图二 3）进行下一段屋面结构梁安装，同时做好吊装主拱梁的安装准备工作；具体如5.2.6-3：

4）进行主拱梁的安装，同时安装相应部位连梁，并在楼面上进行钢柱和屋面钢梁的拼装，具体如5.2.6-4：

图5.2.6-3流程图三 图5.2.6-4流程图四

5）依此类推进行剩余主拱的安装，详见图5.2.6-5、5.2.6-6、5.2.6-7。

图5.2.6-5流程图五 图5.2.6-6流程图六

图5.2.6-7流程图七

6）进行靠内侧主拱梁吊装合龙，具体见图5.2.6-8：

7）进行靠外侧屋面梁及钢柱等安装，并进行靠外侧主拱梁合龙详见图5.2.6-9：

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图5.2.6-8流程图八 图5.2.6-9流程图九

5.2.7卸荷 （1）总体思路

在卸荷前，整个钢结构荷载分别由钢柱、支撑架及主拱承担，卸载时支撑架上所承受的荷载逐渐过度到钢柱和主拱上，最终形成稳定的承载体系。卸载过程是使屋盖系统缓慢协同空间受力的过程,此时整个屋盖系统的内力重新分布,并逐渐过度到设计状态。在卸载时应遵循“变形协调、卸载均衡”的原则,采用从中间向两边逐步卸荷的施工方案,先卸载中间拱的支撑架，卸完后再进行主拱的卸荷，两榀主拱应同时由中间向两端进行。

（2）卸荷具体施工过程：

1）在主拱下各支撑架的支撑点的H型钢梁上设置型号为QL50的50吨螺旋千斤顶，支撑点上设置一个。

2）在每个螺旋千斤顶的顶部利用Φ219的钢管做套筒，再在钢管的顶部做与拱架角度相同的支托做为临时支撑。

3）调节螺栓千斤顶的高度，使支托支撑在拱架的底部，顶紧到位。

4）在每根H型梁千斤顶的落位处设置钢板卡码，固定千斤顶，防止千斤顶在支撑H型钢梁上滑落和失稳。

5）待所有支撑点上的临时千斤顶支撑到位、顶紧后，按照从中间到两边的顺序逐渐拆除原临时的支撑，让主拱逐步落位在千斤顶支托上。

6.材料与设备

本工法使用的材料主要有格构柱架体标准节102节，总长612米；口字型钢585吨、200×200mm工字钢122吨、钢架管1250吨、Φ219的钢管62吨、钢板卡码、旧橡胶轮胎若干等；主要采用的机具设备有：K800行走式塔吊1辆、K50/50行走式塔吊1辆，QTZ6516塔吊3台，C60154台，履带吊机100吨2辆，汽车吊25吨4辆、千斤顶

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QL50螺旋34台、手动葫芦8个、全站仪4台、经纬仪8部、水准仪4部、钢丝绳1100米、安全绳34把、安全网16500m2、对讲机10部等。

7.质量控制

本工法施工质量控制须严格按GB 50205《钢结构工程施工质量验收规范》中相关验收标准执行。

7.1 设计要求全焊透的一级焊缝采用超声波探伤进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤，其内部缺陷分级及探伤方法应符合现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法》GB1135或《钢熔化焊对接接头

射线照相和质量分级》GB3323的规定。要求一级焊缝100%探伤。 表7. 3.1 主拱安装允许误差

项 目 允许偏差 卸荷完成后最由设计计算得出 不得有咬边、未焊满、根部收缩等缺陷。

大下挠量 每批同类构件检查10%，且不少于3件。

定位轴线 L/20000，且不超过3mm 7.3主拱安装应符合以下质量标准，见表

箱性截面高度 ±2.0mm 7.3.1。

箱形截面宽度 ±2.0mm 8. 安全措施

8.1起重机的行驶道路，必须坚实可靠。起重机不得停置在斜坡上工作，也不允许起重机两个履带一高一低。

8.2安装时搭设稳固可靠的临时工作平台。并严防高空坠落事故发生。 8.3施工用电严格遵循用电规程，保证安全用电。

8.4焊接作业场地不得有易燃易爆物品。电焊机外壳必须接地良好，电源的拆装应由电工进行，应设单独的开关。焊钳和把线必须绝缘良好，连接牢固。

8.5防止高处坠落，操作人员在进行高处作业，必须正确使用安全带。安全带一般应高挂低用，即将安全带绳端挂在高的地方，而人在较低处操低。

8.6安装过程中遇大风季节（6级以上），应立即停止吊装、焊接等其它施工项目。对已安装结束还没焊接的箱型梁，在遇到大风时箱型梁两端用落地钢支撑撑住钢梁，两端再增设两根揽风绳以减少风力对钢梁的风荷载。焊接前再对钢梁的标高、垂直度进行测量，复测无误后在进行焊接。

8.7在支架卸荷过程中，必须对主拱架的变形情况进行全程跟踪观测，并做详细记录，应避免突变情况的产生。

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7.2焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。

9.环保措施

9.1严格控制人为噪音，进入施工现场不得高声叫喊、乱吹口哨、限制高音喇叭使用，最大限度的减少扰民。施工噪音遵守《建筑施工场界噪声限值》（GB12523—90）。

9.2加强对施工现场粉尘、噪音、废气的监控工作，及时采取措施消除粉尘、噪音、废气的污染。焊接车间和施工现场，操作工人必须使用防护帽和防护罩，解决了光污染问题和强光伤害。

9.3保持施工机械的整洁。电缆、气割带、风带等沿施工台架成束自下而上拉放，并应捆扎牢固。

10.效益分析

10.1经济效益：

10.1.1. 呼和浩特白塔机场工程

由于主拱吊装采用分段吊装施工技术，施工较为方便，工序交叉影响少，保证了施工质量，加快了施工速度，提高了工作效率，节省了人工开支，从而降低了工程造价。

缩短工期合计按33天计算。

人工费节约：33天×90人×170元/天=504900元 机具租赁费33天×100000元/天=3300000元 合计：380.49万元。

10.1.2. 锦州体育中心体育场工程

辽宁锦州体育中心体育场工程通过使用公司研发《大跨度拱形钢结构安装施工工法》技术，预算投资6300万元，实际结算额5600万元，共节约成本700万元，每百米跨节约276万元；投标工期360天，实际工期240天，工期少了30%；通过使用临时支撑标准节杆件化技术，措施费由原来1200万元，降到960万元，节约240万元，解决了因大量集中使用钢管脚手架而造成当地租赁市场紧张的窘境，用完后快速集中退场，解决了后期装饰工程期间，多家配套工程施工，临时场地紧张的难题。

10.1.3. 保定东湖观光桥工程

保定东湖观光桥原设计预算1820万元，经过使用公司研发《大跨度拱形钢结构安装施工工法》技术，实际成本1636万元，节省184万元，每百米跨节约177

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万元；投标工期90天，实际工期81天，工期少了10%。 10.2社会效益

10.2.1 解决了大跨度结构一次吊装机械能力不足的问题； 10.2.2 解决了平面运输超高、超重的问题；

10.2.3 解决了现场制作，焊接质量不稳定、效率低的问题； 10.2.4 解决了现场操作受气候条件限制多得问题；

10.2.5 解决了空中组装，危险因素多，安全隐患大的问题； 10.2.6 解决了现场场地不足，用地紧张的局面；

10.2.7 解决了现场交叉作业多，临时工具多，施工资源紧张的问题。

11.工程应用实例

实例一 呼和浩特白塔机场扩建工程航站楼

呼和浩特白塔机场扩建工程航站楼工程结构形式为混凝土框架及钢结构， 7.2m以下为混凝土框架梁板，南北方向跨度92m，东西方向长度168m，上部为两榀变截面箱型钢性斜主拱，落地长度205.44m，主拱平面内半径约141.1m，拱断面采用下大上小的变高度箱型断面，由钢板焊接而成，翼缘宽度1.4m不变，截面高度由1.8m至1.4m渐变，壁厚25mm，在拱的自身斜平面内呈圆弧型，拱顶距离12m，主拱最高高度40m，拱与地面成64°角，主拱自重391.7t。

航站楼主拱在施工过程中，计划吊装开始工期为4月15日，如采用整体吊装，所有构件须在4月15日全部到场，实际采用分段吊装后，构件按吊装计划分批进场，既减少了运输费用，又减少了单构件吊装起重量，减小了起重机吨位，降低了吊装难度，施工时采用了首钢的利玛7707型300覆带吊进行主拱吊装作业，施工安全、快捷，同时可与航站楼其它土建工序穿插作业，减少了工序间的施工影响。从而加快了施工进度，航站楼钢结构主拱于同年6月19日顺利实现合拢，确保了计划工期，为航站楼工程的顺利竣工奠定了坚实的基础。 实例二 锦州体育场工程

辽宁省锦州滨海体育场工程，主体钢结构采用拱支撑的桁架罩棚体系，罩棚结构由26组横向空间桁架和3道纵向空间桁架组成的整体性能较好的空间桁架体系，结构整体形式为钢管桁架结构，管管相贯节点。钢结构罩棚主拱最高处为76.225m，空间桁

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架最高处为50.037m，跨度256m，结构最外边缘宽306.345m， 钢结构总重4533t。在主拱安装过程中继承创新了本工法内容，质量安全得到了保证，工期大幅度缩短。 实例三 保定市东湖观光桥工程

保定市东湖观光桥为中承式钢管混凝土拱桥，主跨径104m。主要承重结构为双钢管桁架，包括起承重作用的钢管拱肋、起联系作用的钢横梁和防止拱肋面外失稳的“米”字风撑。主桥拱安装采用了分段式大跨度拱形钢结构安装施工工法，经济效益显著，社会效益明显。

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